Two years of moisture monitoring using microwave sensors in the medieval cave town of Uplistsikhe, Georgia

Diep in de steen, verborgen voor het oog, wordt constant een stille strijd gevoerd tegen de tijd. Dit is het verhaal van vocht in gesteente, een stille maar krachtige kracht die het lot van eeuwenoude structuren vormgeeft. Water is niet louter een vloeistof die op een oppervlak rust; het is een dynamische agent die in de minuscule poriën van steen sijpelt, en uitzet en krimpt bij veranderingen in temperatuur en vochtigheid. Wanneer dit vocht in en uit de steen beweegt, brengt het chemische reacties en fysieke spanningen teweeg die ervoor zorgen dat steen afschilfert, verbrokkelt en uiteindelijk uiteenvalt. Voor het cultureel erfgoed van de wereld, van middeleeuwse kastelen tot oude grotsteden, is het begrijpen waar dit water vandaan komt en hoe het beweegt de sleutel tot het redden van deze onvervangbare schatten. Zonder de bron van de vochtigheid te kennen, is elke poging om een locatie te conserveren vaak een gok, en een verkeerde gok kan soms meer kwaad dan goed doen.

In het hart van Georgië staat de middeleeuwse grotstad Uplistsikhe als een dramatisch voorbeeld van deze strijd. Gehouwen direct in een massieve klif van zacht, geelachtig zandsteen, was de stad een bloeiend knooppunt tijdens de hoge middeleeuwen voordat deze eeuwen geleden werd verlaten. Vandaag de dag lijden de kamers en gangen onder hetzelfde verval dat overal in gesteente heerst: oppervlakken bladderen af in dunne lagen en de rots verandert in een korrelig poeder. Wetenschappers vermoedden al lang dat de boosdoener de fluctuerende luchtvochtigheid binnen de steen is, maar de exacte paden die het water aflegt om de achterzijde van deze diepe grotten te bereiken, bleven een mysterie. Om dit op te lossen, besloot een team onderzoekers uit Duitsland, Oostenrijk en Georgië om naar de steen zelf te luisteren. Ze installeerden een netwerk van gespecialiseerde sensoren in twee van de meest significante grotten van de stad, de Grote Zaal en de Lange Hal, om de vochtniveaus continu gedurende twee volle jaren te monitoren.

De technologie die ze gebruikten was een vorm van microgolfdetectie, een methode die werkt door een energiepuls in de rots te sturen en te meten hoeveel er terugkaatst. Omdat water energie anders vasthoudt dan droge steen, kunnen de sensoren precies detecteren hoeveel vocht aanwezig is zonder te boren of de eeuwenoude muren te beschadigen. Het team plaatste in totaal acht van deze sensoren, sommigen nabij de vloer en anderen nabij het plafond, en sommigen diep in de grotten terwijl anderen net buiten de grotten waren gepositioneerd. Om de nauwkeurigheid van de metingen te garanderen, namen de onderzoekers eerst grote blokken van hetzelfde type zandsteen dat op de locatie werd gevonden mee naar een laboratorium. Daar droogden ze de stenen volledig en weekten ze vervolgens in water, waarbij ze de sensoren kalibreerden om hun elektronische signalen te vertalen naar precieze metingen van het watergehalte. Ze moesten ook rekening houden met het feit dat temperatuurveranderingen de sensoren kunnen misleiden, dus ontwikkelden ze een manier om de gegevens aan te passen op basis van de warmte of kou van de rots.

Zodra de apparatuur in bedrijf was, begonnen de sensoren een complex en verrassend beeld te geven van het leven in de steen. De gegevens toonden een duidelijk seizoensritme: de rots was over het algemeen natter tijdens de zomermaanden en droger in de winter. Dit was contra-intuïtief voor sommigen, aangezien men zou verwachten dat de steen het natst is tijdens de natste seizoenen, maar de zomerhitte leek vocht uit de lucht in de steen te drijven, of misschien water uit de grond omhoog te trekken. De onderzoekers ontdekten dat de steen op verschillende manieren reageerde op verschillende weersomstandigheden. Wanneer er hevige regen viel, reageerden de sensoren op de blootgestelde buitenmuren van de Lange Hal onmiddellijk; hun vochtgehalte piekte zodra de regen het oppervlak raakte. De sensoren diep in de Grote Zaal reageerden echter niet direct. In plaats daarvan vertoonden ze een vertraagde reactie, waarbij het soms enkele dagen duurde voordat er na een storm een toename in vocht zichtbaar was. Deze vertraging suggereerde dat water niet alleen op het oppervlak lag, maar langzaam door de rots van bovenaf naar beneden sijpelde, via het plafond van de grot reisde voordat het de sensoren uiteindelijk bereikte.

De studie onthulde ook dat het water via meerdere verschillende kanalen arriveerde, en niet slechts één. In sommige gevallen leek het vocht te worden aangedreven door condensatie, waarbij waterdamp uit de lucht neerdaalde op de koelere ro surfaces. In andere gevallen, met name nabij de vloer van de Grote Zaal, steeg het vochtniveau op een manier die suggereerde dat water vanuit de grond eronder omhoog werd getrokken, een proces dat capillaire opstijging wordt genoemd, waarschijnlijk getriggerd wanneer de grondwaterstand in de omliggende heuvel na hevige regenval steeg. De onderzoekers observeerden dat de rots geen statisch object was, maar een levend systeem dat ademde, water absorbeerde tijdens vochtige perioden en het weer afgaf tijdens droge perioden. Deze dagelijkse cyclus van nat worden en opdrogen, die het team beschreef als een soort evaporatieve pompwerking, werd gedreven door de zon die het oppervlak overdag opwarmde en de rots die 's nachten afkoelde.

Misschien wel de belangrijkste bevinding was dat er geen enkele oplossing is voor het behoud van de locatie. Omdat het water de Grote Zaal en de Lange Hal via verschillende paden binnenkomt – sommigen uit de lucht, sommigen uit de grond en sommigen uit de lucht (condensatie) – werkt wat voor de ene grot werkt mogelijk niet voor de andere. De onderzoekers concludeerden dat het proberen af te dichten van de grotten met waterdichte coatings waarschijnlijk een fout zou zijn, omdat dit het vocht binnenin zou opsluiten en het verval zou versnellen. In plaats daarvan is de beste aanpak om het water te beheren waar het binnenkomt, zoals door regenwater weg te leiden van de ingangen van de grotten of de grondwaterstand in de heuvel te verlagen om de opwaartse druk van vocht te verminderen. De twee jaar durende monitoring bood een zeldzame, gedetailleerde blik op de verborgen hydrologie van een eeuwenoude site, en bewees dat om de steen te redden, men eerst het onzichtbare water moet begrijpen dat erin beweegt.